CN1250937C - 用于进行车轮校准的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法和系统，所述方法和系统用于提供一种改进的车轮外倾调节技术。所述方法包括下述步骤：将转向轮转动到第一位置，其中转向轮或者为前束或者为后束，然后将转向轮转动到第二位置，其中如果转向轮在第一位置中为前束，则在该位置中为后束，如果转向轮在第一位置中为后束，则在该位置中为前束。测量转向轮从第一位置转动到第二位置期间的前束角和外倾角。通过零前束下的外倾角和规定的外倾角之间的差确定任何前束角下的车轮外倾调节量。

Description

用于进行车轮校准的方法和系统
相关申请
本申请要求2000年6月28日提交的、题为“用于进行车底盘诊断的方法和装置”的美国临时申请No.60/214,390的优先权。
发明领域
本发明涉及一种车轮校准系统，更具体的说，本发明涉及这样一种方法和系统，它提供了在车轮校准期间用于调节车轮外倾的改进技术。
发明背景
机动车辆正确的车轮校准对于操纵车辆和轮胎磨损是重要的。另外，正确的车轮校准增加了燃油经济性和安全性。
可以采用多种方式来校准机动车上的轮子。例如操作者或校准技师可以采用视觉成像系统，例如采用光传感设备如摄影机的计算机辅助的三维(3D)机器影像，来确定各种标的的位置。在Jackson等人的题为“用于确定机动车轮校准的方法和设备”的US5,724,743(1998，3，10)和Jackson等人的题为“用于确定机动车轮校准的方法和设备”的US5,535,522(1996，7，16)中披露了这种设备和方法的示例，这两篇专利在此引入作为参考。
在校准过程中，测量并调节多种参数来获得正确的车轮校准。这些参数包括车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角(SAI)和车轮前束。
车轮外倾角是侧视的车轮平面相对于垂直平面的倾斜角。当车轮在顶部向外斜时将外倾角定义为正，当向内斜时为负。
主销后倾角是通过上、下球节的转向节主销轴线和轮胎垂直中心线之间的测量值。主销后倾角是通过上、下球节的转向节主销轴线和轮胎垂直中心线之间的角度。当主销轴线的顶部向后倾斜时，认为主销后倾角为正，当主销轴线的顶部向前倾斜时为负。正的后倾角设置提供了较大程度的转向力、自动回中和车辆的稳定性。因此几乎每辆汽车都有一个正的主销后倾角设置。大的正主销后倾角在高速直行时提供了较大的稳定性，但在低速时转向沉重。小的正主销后倾角设置有利于更容易的低速转向，但在高速时，车辆趋向于漂移。
主销内倾角(SAI)是前视图中主销轴线与垂直线之间的夹角。
在特定的车轮处，车轮前束角为车辆的纵向轴线与车轮平面和路面相交线之间的夹角。如果车轮的前部朝向车辆的中心纵向轴线转动，那么为车轮前束，如果向外转，则为车轮后束。
通常使用连接到车轮上的测斜器测量车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角。对于车轮外倾角，测斜器测量车轮平面和垂直平面之间的角度。为了测量主销后倾角，车轮转过一定弧度，而且车轮外倾角读数中的差用于导出主销后倾角值。此步骤称作主销后倾角摆动。
除了当车轮转过一弧度时，用于SAI读数的测斜器测量车轮平面中一直线的纵倾角变化之外，以和主销后倾角相同的方式测量SAI。SAI测量的测斜器被调节到用于指示车轮外倾角和主销后倾角的测斜器的90°处。
车轮外倾角表示转向轮的倾斜量。车轮外倾角的值受几个不同因素的影响而且随转向轮的方向变化。换句话说，在转向轮转动期间，转向轮的车轮倾斜程度变化。影响车轮外倾角的因素包括转向角、主销后倾角和SAI。主销后倾角和SAI的值将使转向角(车轮前束)、车轮外倾角和SAI之间存在特定的关系。车轮外倾角的改变与主销后倾角、转向角和SAI的值成正比。由于固定了主销后倾角和SAI，所以存在车轮外倾角相对于车轮前束的关系。这可以凭经验测量，或者可以根据车轮外倾角、主销后倾角和SAI的设定值计算。
图1a和1b表示在不同前束角下转向轮的外倾角。图1a和1b中所描述的转向轮是机动车辆的左前轮。在图1a中，转向轮处于零前束角下。转向轮具有一个φ1角度的负外倾角。在图1b中，转向轮处于θ角度的后束角下并具有一个φ2角度的正外倾角。结果，如果在θ角度的后束角下调节车轮外倾以获得规定的车轮外倾角，例如零度的车轮外倾角，那么必须调节φ2角度以获得零度的车轮外倾角。但是，车轮外倾中φ2角度的调节会导致零前束角下的(φ1+φ2)角度的车轮外倾。因此，在非零前束角下进行的车轮外倾调节通常不准确。
为了车轮校准，制造商规定了零前束角下可接受的车轮外倾角度值。但是，一些技师会在前束角非零时进行车轮外倾调节，因为这样做，技师不必在进行车轮外倾调节前每次都将车轮转到零前束角的情况下。
对于具有小主销后倾角和SAI的车辆，在非零前束角下进行车轮外倾调节有时是可以接受的。如果主销后倾角和SAI小，不同转向角下的车轮外倾角的差别也非常小。因此，不同转向角下的车轮外倾角调节量是类似的而且可以忽略差别。
但是，对于具有大主销后倾角和SAI的车辆，例如奔驰汽车，这种方法将引起不准确的车轮外倾调节。例如，零前束角下的车轮外倾角可以是2°，但同一车辆在10°前束角下的车轮外倾角可能是15°。如果技师在10°前束角下进行15°车轮外倾角的调节，那么在零前束角下车轮外倾角将为-13°。
因此，车辆制造商，特别是那些具有大主销后倾角的车辆，严格地需要在零前束角下进行车轮外倾的调节。
这种要求给技师带来了问题。例如，如果技师想调节左前轮的外倾角，那么技师将不得不首先转动方向盘以将左前轮转动到零前束的位置，然后调节外倾角并使其位于制造商的规定范围内。然后技师将不得不再次转动方向盘，将右前轮转动到零前束的位置，然后调节右前轮的外倾角。因此，问题是所述工序比较耗时，这是因为技师经常调节方向盘以将转向轮定位到零前束的位置。另外，此工序可能引入误差，这是因为在调节过程中任何前束偏离零的小偏差都会影响车轮外倾角。
发明概述
因此，需要提高校准效率。还需要简化校准工序。还需要精确地调节车轮外倾角。另外还需要提供一种校准工序，该工序不需要将转向轮精确地定位在零前束位置。
这些和其它需要是通过本发明实现的。本发明提供了一种方法和系统，所述方法和系统用于提供一种改进的车轮外倾调节技术。本发明通过简化校准工序提高了技师的效率，同时提供了精确的车轮外倾调节。
本发明的一方面涉及一种测量转向轮的车轮外倾调节量的方法。该方法包括下述步骤：将转向轮转动到第一位置，其中转向轮或者为前束或者为后束；将转向轮转动到第二位置，其中如果转向轮在第一位置中为前束，则在该位置中为后束，如果转向轮在第一位置中为后束，则在该位置中为前束；测量转向轮从第一位置转动到第二位置期间的前束角和外倾角；确定转向轮在零前束下的外倾角大小；根据规定的外倾角和零前束下的外倾角大小确定车轮外倾角的调节量。
转向轮通常是机动车辆的前轮。根据本发明的一方面，首先将转向轮转动到第一位置，例如后束位置，然后将转向轮转动到第二位置，该位置具有和第一位置相反的方向，例如前束位置。或者，可以将该顺序反过来进行，即首先将转向轮转动到前束位置，然后转动到后束位置。因此，在转向轮从第一位置转动到第二位置期间，转向轮将通过零前束位置至少一次。
在转向轮从第一位置转动到第二位置期间，测量转向轮的车轮外倾角和前束角。根据本发明的一方面，记录与各前束角对应的车轮外倾角。或者，仅记录零前束下的车轮外倾角。在另一个例子中，测量和记录各前束角，而仅测量和记录零前束下的车轮外倾角。在本发明的又一个例子中，当转向轮的前束角接近或离开零前束角时，短期内测量与各前束值对应的车轮外倾角。
因此，在本发明的另一方面中，使用前束传感器、车轮外倾传感器和SAI测量传感器测量悬架、通常是转向节主销轴线的各种特性，这由主销后倾角和SAI角限定。然后，使用这些已知的特性，以相反的方式使用相同的关系来描述转向角(车轮前束)和车轮外倾角之间的关系。因此，对于任何转向角，计算零前束下的车轮外倾角，通过改变车轮外倾角的计算结果的规定值可以容许外倾角设定到所需的规定值。
根据本发明的另一方面，提供了一种车轮校准系统，该系统用于测量转向轮的车轮外倾调节量。所述车轮校准系统包括：一个车轮前束测量装置，用于产生代表转向轮前束角的前束角信号；一个车轮外倾测量装置，用于产生代表转向轮外倾角的外倾角信号；和一个计算机，用于进行下述步骤：在转向轮被转动到第一位置和第二位置期间，接收代表车轮前束角和外倾角的信号，在第一位置中转向轮或者是前束或者是后束，在第二位置中，如果转向轮在第一位置为前束则在此位置为后束，如果转向轮在第一位置为后束则在此位置为前束；确定零前束时的车轮外倾角大小；根据零前束时的外倾角大小和当前的外倾角大小确定车轮外倾角的调节量。
车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置用于测量车轮外倾角和车轮前束角。作为一实施例，车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置可以包括若干标的和用于进行成像的光传感设备。所述标的被连接到车辆上，用于标记各测量点。光传感设备如摄影机捕获标的的图像，并通过连接到光传感设备的计算机分析这些图像。根据另一实施例，车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置包括一个信号源和一个传感器，前者如LED、LED阵列或红外线发射装置。车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置可以包括激光源和光传感设备，例如摄影机。
所述计算机用于执行校准软件并从车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置接收代表前束角和外倾角的信号。可以将转向轮转动到第一位置，其中转向轮的前束角或者为前束或者为后束。然后将转向轮转动到第二位置，其中如果转向轮在第一位置为前束则此时为后束，如果转向轮在第一位置为后束则此时为前束。在转向轮转向期间检测并记录车轮前束角和车轮外倾角，并将其传送给计算机。然后通过计算机根据接收的信号确定零前束时的车轮外倾角。计算机根据零前束时的外倾角和规定的外倾角之间的差计算车轮外倾角的调节量。
可以将校准软件存储在与计算机相联的硬盘驱动器存储器中，或者存储在与计算机相联的CD-ROM驱动器可读的CD-ROM盘上。或者，可以将校准软件存储在远程计算机中，该机可通过网络由所述计算机存取。
根据本发明的另一方面，测量转向轮的当前外倾角。根据连接到计算机的显示器显示外倾角的调节量和当前的外倾角。例如，显示一等于当前的外倾角减去外倾角调节量的外倾角，以帮助技师进行校准过程。
从下面的示例性但非限制性的详细描述中，本发明的其它优点将变得显然。将认识到在不偏离本发明范围的前提下，本发明可以有其它的和不同的实施例，而且其可以在各种不同的方面进行变型。因此，附图和解释被认为是示例性的，而不是限制性的。
附图的简要描述
通过示例而不是通过限定的方式来描述本发明，附图中类似的参考标号表示相似的元件，其中：
图1a和1b表示转向轮在不同前束角下的外倾角。
图2表示在实施本发明时转动转向轮的例子。
图3表示根据本发明的车轮校准系统的例子。
图4表示和根据本发明的校准系统一起使用的标的的例子。
优选实施例的描述
本发明提出了用于提供一种校准方法和系统的改进技术。在下面的描述中，为了解释目的，为了对本发明进行全面的理解，对特定的细节进行了阐述。但是，对于本领域的技术人员而言没有这些特定的细节显然也可以实施本发明。在其它情况中，为了避免不必要地影响本发明，以框图形式示出已知的结构和装置。
根据本发明的方法，使用一种新工序进行车轮外倾的校准。首先将转向轮从前束位置转动到后束位置。相反地，可以将转向轮从后束位置转动到前束位置。车轮转过的后束或前束角不必是精确的或相等的。在转向轮转动期间连续地进行车轮外倾角和前束角的测量。
图2表示转动转向轮的例子。在图2a中，首先将转向轮定位在后束位置(a1)，然后转动到另一后束位置(b1)，然后转动到前束位置(c1)。图2b表示一例子，其中首先将转向轮定位在前束位置(a2)，然后转动到后束位置(b2)。图2c表示第三个例子，其中首先将转向轮定位在后束位置(a3)，然后转动到前束位置(b3)，然后转动到后束位置(c3)。在各情况中，转向轮至少经过零前束位置一次。由于在转向轮转动期间进行车轮外倾角和前束角的测量，所以测量结果中包括零前束下的车轮外倾角。
根据零前束下的车轮外倾角和规定的车轮外倾角计算任何前束角下正确的外倾角调节量。零前束下的车轮外倾角和规定的车轮外倾角之间的差为所需的正确调节量。因此尽管转向轮位于非零前束位置，也可以准确地进行外倾调节。因此，技师不必首先将转向轮精确定位在零前束处，然后在那个位置调节外倾，接着将其它车轮精确地定位在零前束位置并最后调节所述转向轮在零前束位置处的外倾角。
本发明的一方面利用了主销后倾摆动(caster swing)工序，该工序经常在机动车辆的主销后倾和SAI测量中进行。主销后倾摆动是转向轮转过一个弧度。在用于计算主销后倾和/或SAI的主销后倾摆动期间进行车轮前束角和外倾角的测量。通常，在调节主销后倾和/或SAI之前和之后都进行主销后倾摆动，以确保精确的调节。在主销后倾摆动期间进行车轮前束角和外倾角的测量。然后获得一条车轮前束和车轮外倾的关系曲线。该曲线反映不同车轮前束角度下的车轮外倾角读数。如果主销后倾摆动工序符合上述规定的要求，那么该曲线将包括零前束下的车轮外倾角读数，这然后可以用来计算车轮外倾的调节量。
图3表示根据本发明的车轮校准系统的例子。在Jackson等人的题为“用于确定机动车轮校准的方法和设备”的US5,724,743(1998，3，10)和Jackson等人的题为“用于确定机动车轮校准的方法和设备”的US5,535,522(1996，7，16)中披露了校准系统的其它例子，这两篇专利在此引入作为参考。
在图3中，机动车辆20由其示意性的底盘表示，并包括两个前轮22L和22R以及两个后轮24L和24R。所示车辆20位于传统的车轮校准试验台26上，实验台以虚线示出。
车轮前束和外倾测量装置包括若干标的54和连接到计算机32上的摄影机30。仅示出了标的54和摄影机30的位置。标的和摄影机的其它不同位置可以被用来测量校准参数。
摄影机30在沿经过镜头40并到达分光器42及反光镜46L和46R的观测路径38瞄准各标的装置54。计算机32用于执行处理信号的校准软件，所述信号是从车轮外倾和前束测量装置发出的。
图4中示出了一种可以用在车轮校准系统中的标的的例子。标的54可以包括一个平板，其上以预定格式标出一种具有两个或多个不同尺寸圆圈62、63的图案。尽管示出了一种特定的图案，但在标的54上可以使用大量不同的图案。
实际上，与标的54的实际图像(即，垂直于标的54的基本平面观察得到的图像)和尺寸对应的数学表达或数据被预编入计算机32的存储器中，以便在校准过程中，计算机32具有一个参考图像，观察到的标的装置的透视图像可以与该参考图像进行比较。
计算机32通过识别标的54上的某些几何特性计算标的54的方位。计算机32进行投影测量并将这些测量结果和以前预先编入计算机32存储器中的实际图像进行比较。
计算机32，例如能通过形心曲线(centroiding)计算各圆圈62a，62b的中心。图像分析计算机通常使用这种方法来确定物体的中心点或中心线的定位。一旦已经确定了两个圆圈62a，62b的中心点，就可以测量两者之间的距离。然后对于标的54上的图案中的其它圆圈重复此过程。然后将这些距离与各中心之间的实际距离(即非投影距离)进行比较。同样地，可以确定连接这两个中心的直线与水平面(或垂直面)的夹角。然后计算标的54的方位。
如上所述，首先将转向轮转动到第一位置，其中该轮处于前束位置或后束位置，然后将转向轮转动到第二位置，其中如果转向轮在第一位置中为前束，则在该位置中为后束，如果转向轮在第一位置中为后束，则在该位置中为前束。测量转向轮转动期间的前束角和外倾角。然后根据所述前束角和外倾角确定零前束下的外倾角大小。
根据零前束下的外倾角和规定外倾角之间的差计算车轮外倾角的调节量。在一个例子中，通过从规定的外倾角减去零前束下的外倾角计算车轮外倾角的调节量。规定的外倾角，例如是由制造商规定的零前束下所需的外倾角。规定的外倾角的信息，例如可以从连接到计算机的数据存储装置或从互连网得到，或者通过两者得到。然后将车轮外倾角的调节量显示给技师用以进行校准过程。调节量能以数学格式出现，或者可以用连续的转向轮的当前外倾角显示车轮外倾角的调节量。
尽管已经结合示例性实施例对本发明进行描述，但是应该理解本发明不限于所公开的实施例，相反地，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求精神和范围内的各种变型和等效设置。

Claims (8)

1.一种用于调节转向轮外倾的方法，包括下述步骤：
将转向轮从第一位置转动到第二位置，在第一位置中转向轮或者为前束或者为后束，在第二位置中，如果转向轮在第一位置中为前束，则在该位置中为后束，如果转向轮在第一位置中为后束，则在该位置中为前束；
测量转向轮从第一位置转动到第二位置期间的前束角和外倾角；
根据在测量步骤中获得的外倾角确定转向轮在零前束下的外倾角大小；
根据规定的外倾角和零前束下的外倾角之间的差计算车轮外倾角的调节量。
2.一种用于调节转向轮外倾的车轮校准系统，包括：
一个车轮前束测量装置，用于产生代表转向轮前束角的前束角信号；
一个车轮外倾测量装置，用于产生代表转向轮外倾角的外倾角信号；
一个连接到车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置的计算机，其中该计算机被预编程序以进行下述步骤：
在将转向轮从第一位置转动到第二位置期间，接收代表转向轮外倾角和前束角的信号，在第一位置中转向轮或者是前束或者是后束，在第二位置中，如果转向轮在第一位置为前束则此时为后束，如果转向轮在第一位置为后束则此时为前束；
根据接收的代表转向轮外倾角的信号确定零前束时的转向轮外倾角大小；
根据零前束时的外倾角和规定的外倾角计算车轮外倾角的调节量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：车轮前束测量装置包括第一标的和第一图像传感器，车轮外倾测量装置包括第二标的和第二图像传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：第一标的和第二标的为光源。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述光源为红外发射装置。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：用转向轮的当前外倾角显示外倾角的调节量。
7.一种用于调节转向轮外倾的车轮校准系统，包括：
一个车轮前束测量装置，用于产生代表转向轮前束角的前束角信号；
一个车轮外倾测量装置，用于产生代表转向轮外倾角的外倾角信号；
一个连接到车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置的计算机，其中该计算机被预编程序以进行下述步骤：
在将转向轮从第一位置转动到第二位置期间，接收代表外倾角和前束角的信号，在第一位置中转向轮或者是前束或者是后束，在第二位置中，如果转向轮在第一位置为前束则此时为后束，如果转向轮在第一位置为后束则此时为前束；
根据接收的代表转向轮外倾角的信号确定零前束时的转向轮外倾角大小；
根据零前束时的外倾角和规定的外倾角大小确定车轮外倾角的调节量；
根据转向轮的当前外倾角显示外倾角的调节量。
8.一种使用调节转向轮外倾的车轮校准系统来调节转向轮外倾的方法，其中所述车轮校准系统包括：一个车轮前束测量装置，用于产生代表转向轮前束角的前束角信号；一个车轮外倾测量装置，用于产生代表转向轮外倾角的外倾角信号；一个连接到车轮前束测量装置和车轮外倾测量装置的计算机，所述车轮校准系统进行下述步骤：
在将转向轮从第一位置转动到第二位置期间，接收代表转向轮外倾角和前束角的信号，在第一位置中转向轮或者是前束或者是后束，在第二位置中，如果转向轮在第一位置为前束则此时为后束，如果转向轮在第一位置为后束则此时为前束；
根据接收的代表转向轮外倾角的信号确定零前束时的转向轮外倾角大小；和
根据零前束时的外倾角和规定的外倾角计算车轮外倾角的调节量。
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